VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING NÁVRH POHONU LAMINOVACÍHO ZAŘÍZENÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. Adam Koncer BRNO 2014

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING NÁVRH POHONU LAMINOVACÍHO ZAŘÍZENÍ DRIVE DESIGN FOR FOIL WINDING MACHINE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER STHESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. Adam Koncer VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. Bohumil Klíma, Ph.D. BRNO, 2014

3 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Silnoproudá elektrotechnika a výkonová elektronika Student: Bc. Adam Koncer ID: Ročník: 2 Akademický rok: 2013/2014 NÁZEV TÉMATU: Návrh pohonu laminovacího zařízení POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: 1. Popište systém laminovacího zařízení, zjistěte jeho mechanické parametry potřebné pro návrh pohonu a regulace. 2. Dimenzujte pohon a proveďte výběr typu a velikosti motoru pro systém SINAMICS 3. Navrhněte metody regulace. 4. Pohon realizujte, naprogramujte a nastavte. 5. Změřte a vyhodnoťte dosažené výsledky. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] SKALICKÝ, J. Teorie řízení 1. Teorie řízení 1. Brno: VUT FEKT ÚVEE Brno, ISBN: [2] SKALICKÝ, J. Navrhování elektrických pohonů. Navrhování elektrických pohonů. Brno: VUT FEKT, Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: doc. Ing. Bohumil Klíma, Ph.D. Konzultanti diplomové práce: Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

4 Abstrakt Diplomová práce se zabývá návrhem pohonů pro laminovací zařízení. Pohony pro tento stroj dodává firma Siemens, s její spoluprácí je tato diplomová práce vypracována. Čtenář je seznámen s laminovacím strojem a s pohony SINAMICS, kterými je stroj osazen. Dále je popsán výběr jednotlivých částí pohonu, jejich řízení a regulace. V poslední kapitole této práce je provedeno měření a vyhodnocení dosažených výsledků laminovacího stroje. Abstract Master s thesis deals with the realization of motion drives for the foil winding machine. Drives for this machine are supplied by company Siemens. Whole project is made in cooperation with that company. The reader gets a comprehensive overview of the product group SINAMICS that will be used for the realization of drives in this machine. Thesis describes the selection of individual drive components, their control and regulation. Measurement and evaluation of results foil winding machine is made in the last chapter of this thesis.

5 Klíčová slova Laminovací zařízení; pohony SINAMICS; frekvenční měnič; odvíjecí a navíjecí zařízení; dimenzování pohonu; řízení a regulace pohonů. Keywords Foil winding machine; SINAMICS drives; frequency converter; winding and unwinding machines; drive dimensioning; motion control and regulation.

6 Bibliografická citace KONCER, A. Návrh pohonu laminovacího zařízení. Brno:,, s. Vedoucí semestrální práce doc. Ing. Bohumil Klíma, Ph.D..

7 Prohlášení Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Návrh pohonu laminovacího zařízení jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrální práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené semestrální práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této semestrální práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne Podpis autora.. Poděkování Děkuji vedoucímu semestrální práce doc. Ing. Bohumilu Klímovi, Ph.D., panu Ing. Karlu Dočkalovi a jeho kolegům ze společnosti Siemens za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. V Brně dne Podpis autora..

8 7 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ... 9 SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH ÚVOD SYSTÉM LAMINOVACÍHO ZAŘÍZENÍ MECHANICKÉ PARAMETRY LAMINOVACÍHO ZAŘÍZENÍ NAVÍJECÍ A ODVÍJECÍ ZAŘÍZENÍ METODY REGULACE NAVÍJECÍCH A ODVÍJECÍCH ZAŘÍZENÍ MĚŘENÍ PRŮMĚRU NA POVRCHU ROLE PŘÍMÉ MĚŘENÍ PRŮMĚRU ROLE POMOCÍ EXTERNÍHO SNÍMAČE VÝPOČET PRŮMĚRU ROLE POMOCÍ RYCHLOSTI A OTÁČEK ODVÍJENÍ (V/N) VÝPOČET PRŮMĚRU ROLE POMOCÍ TLOUŠŤKY MATERIÁLU A OTÁČEK ODVÍJENÍ MĚŘENÍ TAHU LINKY MĚŘENÍ POMOCÍ TANEČNICE TENZOMETRICKÉ MĚŘENÍ POHONY SINAMICS ČÁSTI MĚNIČE ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA (CONTROL UNIT) NAPÁJECÍ MODUL (LINE MODUL) MOTOROVÝ MODUL (MOTOR MODUL) KOMUNIKACE KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICE PROFIDRIVE NADŘAZENÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY KONFIGURAČNÍ SOFTWARE STARTER TIA PORTAL V DRIVE CONTROL CHARTS DIMENZOVÁNÍ POHONU VÝBĚR ŘÍDICÍ JEDNOTKY PŘEDPOKLADY PRO VÝBĚR MOTORŮ CHARAKTERISTIKA ZÁTĚŽE MOMENT SETRVAČNOSTI FREKVENČNÍ ŘÍZENÍ ASYNCHRONNÍHO MOTORU DIMENZOVÁNÍ MOTORU PRO NAVÍJECÍ A ODVÍJECÍ ZAŘÍZENÍ DIMENZOVÁNÍ POHONU LAMINOVACÍHO VÁLCE V VÝBĚR MOTOROVÝCH MODULŮ VÝBĚR NAPÁJECÍHO MODULU KONEČNÁ PODOBA POHONU... 45

9 8 4 ŘÍZENÍ, REGULACE A NASTAVENÍ STROJE NASTAVENÍ A PARAMETRIZACE POHONŮ V PROGRAMU STARTER OPTIMALIZACE POHONŮ V PROGRAMU STARTER AUTOMATICKÉ MĚŘÍCÍ FUNKCE URČENÍ TŘECÍHO MOMENTU POHONŮ AUTOMATICKÉ NASTAVENÍ REGULÁTORŮ PRINCIP REGULACE REGULACE OTÁČEK REGULACE POLOHY DCC FUNKČNÍ BLOKY BLOK DCA DIAMETER CALCULATOR BLOK INCO AXIAL WINDER MOMENT OF INERTIA OSTATNÍ DDC BLOKY ZAPOJENÍ FUNKČNÍCH BLOKŮ MĚŘENÍ A VYHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ PRVNÍ ROZBĚH A KONEČNÉ NASTAVENÍ REGULACE VÝSLEDKY DOSAŽENÉ PO ODLADĚNÍ STROJE ZÁVĚR LITERATURA SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK... 69

10 9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1.1: Laminovací zařízení Obr. 1.2: Laminovací zařízení - rozmístění pohonů Obr. 1.3: Navíjecí zařízení - směr otáček a momentu Obr. 1.4: Odvíjecí zařízení - směr otáček a momentu Obr. 1.5: Struktura měření průměru na povrchu zásobníku Obr. 1.6: Struktura měření průměru na povrchu zásobníku Obr. 1.7: Výchozí veličiny pro určení průměru role Obr. 1.8: Struktura určení průměru role pomocí rychlosti a otáček odvíjení Obr. 1.9: Struktura určení průměru role pomocí tloušťky materiálu a otáček odvíjení Obr. 1.10: Měření tahu linky pomocí tanečnice Obr. 1.11: Tenzometrický měřící můstek Obr. 1.12: Tenzometrické měření tahu Obr. 2.1: Zapojení jednoosého pohonu Obr. 2.2: Zapojení víceosého pohonu Obr. 2.3: Komunikační sběrnice měniče SINAMICS Obr. 3.1: Rozhraní CU PN (bez ochranného krytu) [10] Obr. 3.2: Závislost momentu a otáček na průměru role Obr. 3.3: Nákres role pro určení momentu setrvačnosti Obr. 3.4: Závislost momentu setrvačnosti a hmotnosti materiálu na průměru role Obr. 3.5: Zatěžovací charakteristika navíjecího zařízení Obr. 3.6: Frekvenční řízení asynchronního motoru [12] Obr. 3.7: Zatěžovací charakteristika při použití převodu Obr. 3.8: Momentová a výkonová charakteristika motoru Obr. 3.9: Momentová charakteristika pohonu navíječky program SIZER Obr. 3.10: Momentová a výkonová charakteristika motoru laminovacího válce Obr. 3.11: Momentová charakteristika pohonu laminovacího válce program SIZER Obr. 3.12: Blokové schéma zapojení pohonu laminovacího stroje Obr. 4.1: Hlavní obrazovka HMI panelu Obr. 4.2: Konfigurace pohonu v programu Starter Obr. 4.3: Parametry definované při stacionárním měřením Obr. 4.4: Parametry definované měřením při otáčení stroje Obr. 4.5 Měření třecí charakteristiky pohonu... 50

11 Obr. 4.6: Schéma otáčkového PI regulátoru Obr. 4.7: Schéma vektorového řízení Obr. 4.8: Schéma otáčkové regulace Obr. 4.9: Princip regulace laminovacího stroje Obr. 4.10: Schéma regulace polohy Obr. 4.11: Princip stranování odvíjeného materiálu Obr. 4.12: Zapojení DCA bloku [13] Obr. 4.13: Zapojení INCO bloku [13] Obr. 5.1: První rozběh laminovacího stroje, rychlost linky v metrech za minutu Obr. 5.2: První rozběh laminovacího stroje, aktuální průměr v metrech Obr. 5.3: První rozběh laminovacího stroje, žádaný moment v Newtonech Obr. 5.4: Průběhy po konečném nastavení regulace, rychlost linky v metrech za minutu Obr. 5.5: Měření rychlostí a tahů, rychlost linky v metrech za minutu Obr. 5.6: Měření rychlostí a tahů, žádaný moment v Newtonech Obr. 5.7: Brzdění pohonu 06 po definované nouzové rampě

12 11 SEZNAM TABULEK Tab. 1.1: Funkce jednotlivých pohonů a válců laminovacího stroje Tab. 1.2: Mechanické parametry laminovacího zařízení Tab. 2.1: Přehled standardních telegramů [5] Tab. 2.2: Přehled výrobcem definovaných telegramů pro měniče SINAMICS [5] Tab. 3.1: Rozhraní řídící jednotky CU PN [10] Tab. 3.2: Parametry motoru 1LE1001-1AB52-2FF Tab. 3.3: Parametry motoru 1LA9107-4AK Tab. 3.4: Zvolené motorové moduly Tab. 4.1: Použité telegramy dle standardu PROFIdrive Tab. 4.2: Vstupy a výstupy DCA bloku [13] Tab. 4.3: Vstupy a výstupy INCO bloku [13] Tab. 4.4: Přehled parametrů, které tvoří stavové slovo Tab. 4.5: Přehled parametrů, které tvoří řídicí slovo Tab. 4.6: Přehled parametrů, které jsou použity v DCC... 61

13 12 SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1: DCC regulační schéma... 70

14 13 ÚVOD Tato diplomová práce vznikla na základě poptávky společnosti vyrábějící tiskařské a zpracovací stroje pro širokou škálu průmyslových odvětví, poptávku tvoří inovace laminovacího stroje. Tato firma si nepřeje být v práci jmenována, nebude zde tedy uvedeno jméno poptávající firmy, ani přesný název laminovacího stroje. Společnost stroj již několik let vyrábí, vedení firmy se rozhodlo pro inovaci stroje s požadavkem na nízkou pořizovací cenu, což se projeví i na ceně pohonů. Inovace je tedy prováděna z důvodu zvýšení konkurenceschopnosti uvedeného výrobku a z důvodu oslovení širšího spektra zákazníků. První kapitola je věnována popisu laminovacího stroje, je zde popsán princip funkce celého stroje a mechanické parametry, které jsou nutné pro dimenzování a výběr pohonů. Hlavními částmi, které společnost Siemens dodává, jsou frekvenční měniče a motory pro realizaci navíjecího a odvíjecích zařízení, jejich popis je v této kapitole taktéž uveden. Diplomová práce je tvořena ve spolupráci s firmou Siemens, která dodává pohonné části laminovacího stroje. Firma Siemens zajišťuje i další automatizační zařízení, rozsah práce je však omezen pouze na oblast pohonů z produktové řady SINAMICS. Před samotným návrhem pohonů pro laminovací stroj je vhodné čtenáře seznámit s touto produktovou řadou, tématu se věnuje druhá kapitola diplomové práce. Třetí kapitola se, na základě znalostí z předchozích dvou kapitol, zabývá dimenzováním pohonu pro laminovací zařízení. Je zde popsán způsob výběru motorů a všech podstatných částí frekvenčního měniče SINAMICS, jako je řídicí jednotka, motorové a napájecí moduly. Správnost výběru motorů je ověřena programem Sizer od společnosti Siemens. Prakticky každý průmyslový stroj je nutné řídit a regulovat, této fázi je věnována čtvrtá kapitola. Je zde popsána konfigurace pohonů v programu Starter, jejich nastavení a optimalizace. Dále je vysvětlen princip regulace laminovacího stroje. Poslední, tj. pátá kapitola se zabývá měřením na již funkčním laminovacím stroji. Na základě provedených měření je dále provedeno zhodnocení dosažených výsledků.

15 14 1 SYSTÉM LAMINOVACÍHO ZAŘÍZENÍ Laminovací zařízení zajišťuje slepení dvou materiálů k sobě a další funkce, které jsou s tímto výchozím úkolem spojeny. Na obr. 1.1 je zobrazen výrobek nejmenované firmy, kterým se bude tato práce zabývat. Obr. 1.1: Laminovací zařízení Nákres procesu laminace je zobrazen na obr Materiály, které jsou určeny k laminaci, jsou navinuty na dvou materiálových zásobnících pozice 01 a 02. Tento stroj je určen pro laminaci materiálů o tloušťce řádově µm až desetiny mm, představitelé těchto materiálů jsou hliníkové, polypropylenové, polyethylenové a jim podobné fólie nebo papír. Výsledkem laminace jsou typicky obaly pro potraviny nebo pro jakékoli jiné zboží. Nanášení lepidla je zajištěno nanášecím válcem V4, který je ovládán pohonem 05. Válce V2 a V3 zajišťují dávkování množství lepidla a jsou řízeny pohonem 04. Stroj nabízí funkci automatické mytí těchto válců po daném pracovním cyklu. Na spodní straně válce V6, který je poháněn pohonem 06, dochází ke kontaktu (slepení materiálů), které jsou následně navinuty na navíječku s označením 03. Materiál může být veden několika způsoby, může být využito nahřívacích a chladících válců. Pro kvalitnější slepení materiálů je vhodné provádět lepení za zvýšené teploty, lepidlo a materiál

16 z odvíječky 01 jsou proto prostřednictvím válců V2, V3 a V4 nahřívány. Při požadavku na chlazení materiálů před navinutím je materiál veden kolem chladícího válce V8. Stroj je opatřen měřením tahu linky, toto měření je provedeno na válci V7 a zajišťují jej siloměrné tenzometry. Zbývající válce zajišťují požadované vedení materiálu linkou. Pohony 07 a 08 zajišťují stranovou regulaci odvíjení, pohon 09 zajišťuje středění navíjecího relé. U stroje je nutné řídit značné množství funkcí, které jsou s laminací spojeny. 15 Obr. 1.2: Laminovací zařízení - rozmístění pohonů Tab. 1.1: Funkce jednotlivých pohonů a válců laminovacího stroje Označení Funkce 01 Pohon primárního odvíjení 02 Pohon sekundárního odvíjení 03 Pohon navíjení 04 Pohon dávkovacích válců V2 a V3 05 Pohon nanášejícího válce V4 06 Pohon laminovacího válce V6 07 Pohon primární stranové regulace 08 Pohon sekundární stranové regulace 09 Pohon středění navíjecího relé V2 Válec dávkování lepidla V3 Válec dávkování lepidla V4 Válec aplikující lepidlo na materiál V6 Válec laminace V7 Měření tahu V8 Chladící válec

17 1.1 Mechanické parametry laminovacího zařízení 16 Tab. 1.2: Mechanické parametry laminovacího zařízení Veličina Maximální rychlost stroje Maximální šířka materiálu Maximální hmotnost role Moment setrvačnosti jádra Maximální průměr role Minimální průměr navíjení Minimální průměr odvíjení Rozsah tahů v materiálu pro navíjení Rozsah tahů v materiálu pro navíjení Hodnota 1.2 Navíjecí a odvíjecí zařízení Jedná se o stroje, které zajišťují navíjení materiálu na válcovou roli nebo jeho odvíjení z válcové role. Navíjecí a odvíjecí zařízení se liší pouze ve směru posuvu materiálu, jinak se z konstrukčního hlediska jedná o dvě naprosto shodná zařízení. V případě navíjecího zařízení je materiál navíjen na cívku, může být přiváděn z horní nebo dolní strany. V závislosti na straně přivedení materiálu se liší směr otáčení motoru (obr. 1.3) [1] [2] [3]. Obr. 1.3: Navíjecí zařízení - směr otáček a momentu Na obr. 1.4 je patrný nákres odvíjecího zařízení, směr otáčení je opět závislý na straně, ze které je přiveden materiál.

18 17 Obr. 1.4: Odvíjecí zařízení - směr otáček a momentu Toto zařízení se skládá z pohonu, materiálové role, materiálového podavače, potřebných čidel a senzorů. Obvykle je při této úloze požadován konstantní tah: (1.1) (1.2) Pro dodržení konstantní tahové síly je tedy nutné regulovat točivý moment stroje, který se mění s poloměrem, na kterém se nachází působiště síly. Je tedy nutné určit poloměr materiálu, který je navinut na válcovém zásobníku. Určení poloměru je jedním z nejdůležitějších úkolů při návrhu celého zařízení [3]. 1.3 Metody regulace navíjecích a odvíjecích zařízení Měření průměru na povrchu role Toto provedení navíjecího zařízení je pravděpodobně nejstarší variantou, která je stále používána u jednoduchých aplikací. Průměr materiálu na zásobníku je měřen přímo pomocí otočného ramena (někdy nazýváno jako sledovací rameno), na jeho konci je namontován vodící válec, který je v kontaktu s obvodem role. Celý mechanismus je přitlačován na navinutý materiál, snímací zařízení je umístěno na čepu tohoto ramena. Z měřeného úhlu je následně vypočítán průměr role. Jako snímač je obvykle použit potenciometr, při požadavku na vyšší přesnost je úhel snímán digitálně. Pro splnění tohoto požadavku jsou použity Hallovy sondy nebo pulzní enkodéry. Typické využití této metody je u odvíječek s brzdou a u systémů, u kterých není měřena tahová síla [2]. Výhody: Jednoduchá a robustní stavba. Snadná instalace. Relativně nízké náklady na údržbu. K určení průměru role není nutný její pohyb.

19 Nevýhody: ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Vodící válec musí být v kontaktu s materiálem, což může být problém. Některé materiály jsou kluzké, nebo jsou opatřeny povrchem, který nelze kontaktovat. Vodící válec může narušovat strukturu materiálu. Nepřesné navinutí materiálu - nedokonalá kruhovost může mít vliv na měření průměru. Mechanický systém ramena a vodícího válce vyžaduje údržbu, což se projeví na konstrukci stroje. Velikost ramena může omezovat průměr použité role. Průměr není měřen přímo - je nutno jej vypočítat z měřeného úhlu. Je nutné zajistit přítlak ramene. 18 Obr. 1.5: Struktura měření průměru na povrchu zásobníku Přímé měření průměru role pomocí externího snímače Tato metoda se svým principem podobá metodě 1.3.1, průměr role je zde měřen přímo na vnějším průměru pomocí externího snímače. Použitý senzor může být optický, laserový nebo ultrazvukový, ten je použit nejčastěji. Princip ultrazvukového senzoru je založen na odrazu vyslaných vln od povrchu role, snímač měří čas, za který se odražené vlnění vrátí. Z tohoto času je vypočítána vzdálenost senzoru od vnějšího obvodu role, následně je vypočítán průměr role. Typické využití metody je u odvíječek s brzdou a u systémů, u kterých není měřena tahová síla [2]. Výhody: Relativně nízké náklady na údržbu. Výstupem je lineární průběh průměru role. Měření je bezkontaktní - nízké náklady z důvodu vyloučení mechanických částí. K určení průměru role není nutný její pohyb.

20 Nevýhody: ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY 19 Měření může ovlivnit pohyb vzduchu. Je nutné zajistit, aby mezi senzor a roli nebyly vkládány žádné předměty, které by ovlivnily měření. Při každé manipulaci je nutné kalibrovat senzor. Snímač vyžaduje pravidelnou údržbu a kalibraci. Zařízení je náchylné na nečistoty a prach. Některé materiály mohou absorbovat ultrazvukový signál. Je nutno zajistit přesnou polohu snímače vůči návinu. Nepřesné navinutí materiálu - nedokonalá kruhovost může mít vliv na měření průměru. Metoda je citlivá na kolísání teploty. Obr. 1.6: Struktura měření průměru na povrchu zásobníku Výpočet průměru role pomocí rychlosti a otáček odvíjení (v/n) Toto provedení odvíječky je pravděpodobně nejčastější používanou metodou v technické praxi. Průměr materiálu na cívce není přímo měřen, je určen pomocí řídicího systému. Pomocí snímání otáček motoru a měření okamžité rychlosti jsou otáčky motoru řízeny tak, aby byl tah materiálu udržován na konstantní hodnotě [4]. Obr. 1.7: Výchozí veličiny pro určení průměru role

21 Pro určení průměru materiálu je nutno znát tyto veličiny: - aktuální rychlost materiálu - otáčky vřetena 20 (1.3) (1.4) (1.5) (1.6) (1.7) (1.8) Na základně tohoto výpočtu systém dosahuje velmi přesného výsledku. Problémem je rozběh a doběh, kdy výpočet není přesný. Při zrychlování a zpomalování dochází k měřící nepřesnosti, vypočítaný průměr je vhodné po výpočtu softwarově vyhladit. Výhody: K určení průměru nejsou nutná složité externí zařízení. Lineární průběh vypočítaného průměru. Odpadají problémy s kontaktováním role. Po odeznění přechodových dějů (rozběh a doběh) je výpočet velmi přesný. Měřené veličiny jsou přiváděny přímo do řídicího systému. Nepřesné navinutí materiálu (nedokonalá kruhovost) nemá vliv na přesnost výpočtu. Jednoduchý výpočet.

22 Nevýhody: ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Pro určení výpočtu musí být systém v chodu - požadavek na nenulovou rychlost materiálu. Nutnost filtrování (vyhlazení) určeného průměru. Přesnost při zrychlování a zpomalování. 21 Obr. 1.8: Struktura určení průměru role pomocí rychlosti a otáček odvíjení Výpočet průměru role pomocí tloušťky materiálu a otáček odvíjení Tato metoda počítá průměr role prostým součtem tloušťek jednotlivých návinů, při odvíjení jsou měřeny vykonané otáčky. Výpočet je velmi jednoduchý, po vykonání jedné otáčky se průměr zmenší o dvojnásobek tloušťky materiálu, je tloušťka materiálu [2]. (1.9) Při dodržení přísných pravidel dosahuje metoda velmi přesného výsledku a to bez ohledu na požadovanou rychlost odvíjení. Metoda funguje bez zpětné vazby, výsledek tedy není zpětně kontrolován. Pro přesný výpočet jsou kladeny velké nároky na materiál, který musí mít konstantní tloušťku a na roli nesmí být nijak deformován. Vzduchové mezery mezi jednotlivými vrstvami znamenají velký problém. Toto provedení je tedy obvykle použito pro odvíjení plechů nebo fólií, které splňují výše popsané požadavky. Výhody: Při splnění požadavků na materiál dosahuje nejpřesnějšího výsledku. Výpočet neovlivňuje zrychlování a zpomalování vřetena. Není nutné vyhlazovat vypočítaný průměr. Nejsou nutné žádné externí snímače.

23 Nevýhody: ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Výpočet probíhá v otevřené smyčce, správnost není kontrolována. V některých případech je nutné použít rameno s válcem, který bude odstraňovat vzduch z návinu. Tloušťka materiálu musí být konstantní. Je nutné určit přesný výchozí průměr, což může vyžadovat externí senzor. 22 Obr. 1.9: Struktura určení průměru role pomocí tloušťky materiálu a otáček odvíjení 1.4 Měření tahu linky Jak již bylo uvedeno v kap. 1.2, u navíjecího a odvíjecího zařízení je obvykle požadována konstantní tahová síla linky. Stanovení tahu je v základu provedeno otevřenou regulační smyčkou, tah je ale pouze počítán a jeho skutečná hodnota není kontrolována [3] [4]. Zavedením měřícího systému vzniká uzavřená regulační smyčka, což vede k velmi přesné regulaci tahové síly. V technické praxi se velmi často používají dvě různé měřící struktury, jedná se o takzvané tanečnice a tenzometrické siloměry. Vlastnosti těchto měřících systémů jsou popsány níže Měření pomocí tanečnice Tato měřící sestava využívá typicky tří válců, které se otáčejí vlivem posunu materiálu. Dva krajní válce nemění svou pozici, třetí (prostřední) válec je umístěn na otočném rameni, na kterém je umístěno i odpovídající závaží a pružina. Na obr je patrná smyčka, kterou tyto válce vytváří. Změnou tahu v lince se mění i poloha prostředního válce a úhel natočení ramene. Rameno s válcem se natočí do polohy, která odpovídá rovnováze sil [2]: (1.10) kde je celková hmotnost válce, ramena a závaží, je síla pružiny. Ta ovlivní výpočet v závislosti na umístění pružiny.

24 23 Na základě určení velikosti tohoto úhlu je vypočítána tahová síla linky, snímací zařízení je stejně jako v kap umístěno na čepu ramena, opět je možno použít potenciometr, při požadavku na vyšší přesnost je vhodné úhel snímat digitálně. Pro splnění požadavku jsou opět použity Hallovy sondy nebo pulzní enkodéry. V technické praxi se objevuje více způsobů provedení tanečnice, prostřední válec může být například umístěn na pístku, ten se s rostoucí tahovou silou více zasouvá do pístnice. Tato vzdálenost je měřena a následně přepočítána na tahovou sílu, princip ale zůstává nezměněn. Obr. 1.10: Měření tahu linky pomocí tanečnice Tenzometrické měření Toto měření se velmi podobá předchozímu typu měření tahu linky, v cestě materiálu je opět prostřednictví třech válců vytvořena materiálová smyčka, což je vystihnuto na obr Tahová síla působí přímo na prostřední válec, který je umístěn na nepohyblivém ramenu, za žádných okolností tedy nemění svou polohu. Na ramenu jsou umístěny tenzometrické siloměry, které jsou na základě deformace materiálu schopny měřit tahovou sílu, která na něj působí. Jedná se o velmi jednoduché a levné měření tahové síly. Tato metoda dosahuje dostatečně přesného výsledku, měření popsané v kap je ale přesnější. Obr. 1.11: Tenzometrický měřící můstek

25 24 Obr. 1.12: Tenzometrické měření tahu Tenzometr tvoří velmi tenký vodič o délce, průřezu a o měrném odporu, je pevně připevněn k materiálu, na kterém je měřen tah. Deformací ramene dochází i k deformaci tenzometru, kdy se mění délku vodiče a velikost průřezu, měrný elektrický odpor materiálu považujeme za konstantní. Odpor se mění dle vztahu: (1.11) Při konstrukci tenzometru je využito obvykle čtyř vodičů, které vytváří odporový můstek. Obvod je připojen na stejnosměrné napájecí napětí, při deformaci dochází ke změně odporu a tím pádem i výstupního napětí, které je následně přepočítáno na tahovou sílu. Měřící schéma je patrné na obr V praxi se pro měření používá vždy kombinace několika tenzometrů, tím je dosaženo větší přesnosti měření.

26 2 POHONY SINAMICS SINAMICS je produktová skupina od společnosti Siemens, která pokrývá kompletní funkční a výkonové spektrum frekvenčních měničů. Možnosti uplatnění měničů jsou velmi široké, jejich aplikace začíná u základního řízení jednoho pohonu s jedním motorem a končí u víceosích a dynamicky náročných aplikací s požadavkem na řízení polohy. Měniče umožňují rekuperaci energie a čtyřkvadrantový provoz, jejich výkonový rozsah je pro nízké napětí 0, kW a v případě vysokého napětí je to 0,8 120MW [5]. Základní rozdělení měničů: SINAMICS Gxxx (General) pro základní aplikace. SINAMICS Sxxx (Special) pro energeticky nebo dynamicky náročné aplikace. 2.1 Části měniče Měniče typu SINAMICS jsou složeny z několika modulů, jejich zapojení je patrné na obr. 2.1 a 2.2. Toto rozdělení respektuje princip činnosti frekvenčního měniče, kdy je vstupní střídavé napětí nejprve usměrněno a následně modulováno na danou frekvenci. Frekvenční měniče SINAMICS se skládají z těchto modulů: Řídící jednotka (Control unit) Řídící jednotky umožňují ovládání jednoho a více pohonů v režimech U/f, vektor a servo. S napájecími, motorovými a volitelnými moduly komunikují pomocí sběrnice DRIVE-CLiQ, která bude popsána v kap Volba jednotky je nezávislá na výkonu pohonu, její výběr je proveden podle režimu řízení a množství ovládaných os (osa je motorový modul s připojeným motorem a případně i encodérem). Jednotky jsou vybaveny digitálními vstupy a výstupy a je možné je rozšířit o externí zařízení (čidla, enkodéry, analogové a digitální vstupy a výstupy). Produktová skupina SINAMICS nabízí dvě řídící jednotky[2]: CU310-2 DP a CU310-2 PN Jednotka je navržena pro řízení jednoho pohonu s ohledem na nízké výrobní náklady. Z tohoto důvodu je u jednoosého pohonu sloučen modul napájecí s modulem motorovým, což je patrné na obr Tyto řídící jednotky využívají ke komunikaci s nadřazenými systém sběrnice PROFIBUS (CU310-2DP) a PROFINET (CU310-2PN) [3]. 25 CU320-2 Jednotka CU320-2je navržena speciálně pro víceosé pohony, tomu odpovídá i rozložení jednotlivých modulů, obvykle je použit jeden napájecí modul a několik modulů motorových (obr. 2.2). CU320-2 je schopna řídit: 12 os při V/f řízení 6 os při vektorovém nebo servo řízení Komunikace je zajištěna pomocí sběrnice PROFINET a PROFIBUS.

27 26 Obr. 2.1: Zapojení jednoosého pohonu Napájecí modul (Line modul) Tímto modulem je zajištěno usměrnění vstupního střídavého napětí a jeho následné vyhlazení, čímž vzniká stejnosměrný meziobvod měniče. Stejnosměrný meziobvod může být regulovatelný, umožňující rekuperaci, slouží k napájení motorových modulů. V případě, že je pohon schopen rekuperace, musí být napájecí modul osazen DRIVE-CLiQ sběrnicí, pomocí které je rekuperace ovládána z řídící jednotky. Napájecí modul je k dispozici ve trojím provedení: Basic Line Module (bez rekuperace energie). Smart Line Module (s neřízenou rekuperací a nekonstantním napětím meziobvodu). Active Line Module (s řízenou rekuperací a kvalitní regulací napětí stejnosměrného meziobvodu) [2]. Obr. 2.2: Zapojení víceosého pohonu

28 2.1.3 Motorový modul (Motor modul) V této části frekvenčního měniče dochází ke změně stejnosměrného napětí meziobvodu na napětí střídavé. Je využívána PWM modulace, modul je ovládán řídící jednotkou po DRIVE- CLiQ sběrnici. Motorové moduly s malými výkony se vyrábějí i ve dvojitém provedení (doublemotor module), což vede k úsporám výrobních nákladů a místa[3]. 2.2 Komunikace Komunikační sběrnice V kap byly popsány moduly, ze kterých se skládá měnič SINAMICS. Tyto moduly musí být schopny komunikovat mezi sebou, s nadřazenými řídicími systémy nebo se systémy vzdálenými. Ke komunikaci se používají systémové sběrnice, které zajišťují komunikaci dle daných komunikačních protokolů. Pro větší přehlednost je přiložen obr. 2.3 [3], znázorňuje možné zapojení SINAMICS pohonu. Velký podíl na vývoji komunikační sběrnice PROFINET a PROFIBUS má společnost PI (PROFIBUS & PROFINET International) [4]. Pohony SINAMICS využívají následujících komunikačních sběrnic: DRIVE-CLiQ Rozhraní se používá pro spojení jednotlivých komponent pohonu, je založeno na technologii Ethernet 100MBit/s. Konektory jsou rozšířené zástrčky a zdířky RJ45, které mají navíc k standardním signálům Ethernet dva kontakty pro nápájení DC 24V. Pomocí technologie je realizováno vysokorychlostní spojení bod - bod pro vnitřní komunikaci řídící jednotky s ostatními komponenty pohonu. V jedné DRIVE-CLiQ síti je vždy jeden master, tuto funkci plní řídící jednotka[4]. Pomocí tohoto rozhraní jsou po zapnutí zařízení identifikovány a zapnuty všechny připojené akční členy, čidla a motory. Za provozu se cyklicky synchronně vyměňují data vztahující se k pohonům. Prostřednictvím DRIVE-CLiQ probíhá rovněž výměna parametrů a diagnostických dat mezi řídící jednotkou a komponenty pohonu. Není přípustné kruhové zapojení ani dvojnásobné propojení komponentů. PROFIBUS DP Sběrnice je používána k propojení SINAMICS řídící jednotky s nadřazenými a jinými systémy. Jedná se o komunikaci typu master - slave a dosahuje rychlosti až 12MBit/s. Komunikačním médiem je pro standard RS-485 kroucená dvojlinka, pro dosažení vyšších rychlostí se používá optické vlákno. PROFINET Sběrnice využívá stejného principu jako je tomu u sběrnice DRIVE-CLiQ, slouží ale ke komunikaci s externími systémy. Základ sběrnice je tvořen technologií Ethernet a je dosahováno přenosové rychlosti 10/100 MBit/s. Díky této sběrnici je možno řídící jednotku připojit na Fast Industrial Ethernet a zařízení je možno spravovat dálkově přes síť. Komunikace je možná přes protokol TCP/IP a UDP. 27

29 28 Obr. 2.3: Komunikační sběrnice měniče SINAMICS PROFIdrive PROFIdrive je standardizovaný profil (IEC ), pomocí kterého komunikují zařízení prostřednictvím sběrnice PROFIBUS a PROFINET, je vyvíjen společností PI (PROFIBUS & PROFINET International) [4] [5]. Pomocí profilu PROFIdrive je definováno standardní rozhraní k ovládání pohonů. PROFIdrive vytváří parametrový model frekvenčního měniče, každý měnič je vyjádřen jako soustava parametrů, které jsou logicky uspořádány do funkčních modulů, vstupy a výstupy těchto modulů jsou deklarovány jako vstupní a výstupní parametry. Každý parametr má své jedinečné číslo. Parametry s číslem mají vždy stejný význam, pomocí PROFIdrive jsou přesně deklarovány. Parametrový model měniče tvoří dva druhy parametrů[5]:

30 29 Parametry určeny pouze ke čtení (obvykle jsou označeny ve tvaru rxxxx) Parametry určeny k zápisu i čtení (obvykle jsou označeny ve tvaru pxxxx) Veškerá komunikace probíhá na základě čtení a zápisu daných parametrů. PROFIdrive dále definuje dva druhy komunikace: Cyklická komunikace Přenos dat je neustále, cyklicky opakován. Je nutné docílit kontinuálního řízení v otevřené nebo uzavřené regulační smyčce, tímto způsobem jsou přenášena nejdůležitější data, která bývají součástí standardních telegramů. Acyklická komunikace V technické praxi dochází velmi často k požadavku přenášet další data (parametry), která nejsou součástí standardních telegramů. Pro přenos těchto dat se používá právě acyklické komunikace. Čtení a zápis parametrů nemusí být nijak častý, data bývají v některých případech načtena pouze jedenkrát, typicky na začátku procesu. Acyklickou komunikací bývá často provedena synchronizace hodin a alarmů. Soubor potřebných parametrů dle profilu PROFIdrive vytváří takzvané telegramy, parametry jsou prostřednictvím telegramů sdíleny mezi danými zařízeními. Rozlišujeme standardní a výrobcem definované parametry. V obecných případech je množství parametrů v telegramu dostačující, pokud tomu tak není, je možné využít volných bytů standardního telegramu pro odesílání dalších parametrů přes sběrnice. Případně je možné definovat vlastní telegram, ve kterém si uživatel sdílí parametry dle vlastních požadavků. Obvykle jsou důležitá procesní data, jako aktuální a žádané hodnoty, přenášena v rámci standardních nebo výrobcem definovaných telegramů prostřednictvím cyklické komunikace. Pro přenos méně důležitých dat, které nemusí být přenášeny kontinuálně, je obvykle používána komunikace acyklická. Rozdělení telegramů: Standardní telegramy, číslo Tab. 2.1: Přehled standardních telegramů [5] Telegram Význam 1 Žádaná hodnota rychlosti otáčení 16 - bit 2 Žádaná hodnota rychlosti otáčení 32 - bit 3 Žádaná hodnota rychlosti otáčení 32 bit s polohovým enkodérem 4 Žádaná hodnota rychlosti otáčení 32 - bit s 2 polohovými enkodéry 7 Základní polohování 9 Základní polohování s přímým vstupem Telegramy definované výrobcem, číslo Jedná se o telegramy definované výrobcem, používají se pro konkrétní zařízení.

31 30 Tab. 2.2: Přehled výrobcem definovaných telegramů pro měniče SINAMICS [5] Telegram Význam 102 Základní polohování s polohovým enkodérem a momentovým omezením 103 Základní polohování s 2 polohovými enkodéry a momentovým omezením 110 Základní polohování s MDI, přepsání hodnot a XIST_A 111 Základní polohování v MDI režimu 390 Řídící jednotka s DI/DO 391 Řídící jednotka s DI/DO a 2 měřícími vstupy 392 Řídící jednotka s DI/DO a 4 měřícími vstupy 393 Řídící jednotka s DI/DO, AI a 4 měřícími vstupy 394 Řídící jednotka s DI/DO 999 Volný telegram 2.3 Nadřazené řídicí systémy V oblasti automatizace vznikají vysoké nároky na přesné řízení strojů, frekvenční měniče typu SINAMICS jsou proto velmi často ovládány nadřazeným řídicím systémem. Firma Siemens proto nabízí různé řídicí systémy pro různé oblasti použití[2]: SIMATIC Základní automatizační systém pro řešení automatizačních aplikací ve všech oborech. Typický představitel této skupiny je PLC, které s měničem komunikuje po sběrnici a ovládá jej. SINUMERIK Tento řídicí systém je dimenzován speciálně pro strojírenskou výrobu, používá se tedy především pro obráběcí stroje. SIMOTION Řídicí systém SIMOTION se využívá pro všeobecné řízení strojů s požadavkem na řízení pohybu. Velkou výhodou je integrace řízení pohybu, základních řídicích funkcí a technologických funkcí do jednoho zařízení. Systém není tedy nutno doplňovat o externí PLC, tyto automatizační funkce jsou zpracovávány přímo v řídící jednotce. 2.4 Konfigurační software V technické praxi se velmi často vyskytuje požadavek na specifickou činnost pohonů, proto existuje nutnost je jistým způsobem konfigurovat, programovat a řídit.

32 Pro řízení stroje je využito PLC z řady SIMATIC, jeho konfigurace je zajištěna pomocí nástroje TIA Portal. Měnič je spravován programem Starter, programování bude provedeno pomocí DCC bloků. Program TIA Portal ještě není zcela kompletní, po jeho dokončení převezme funkci programu Starter [6] Starter Tento nástroj je základním prostředkem pro konfiguraci, parametrizaci, programování a monitoring měničů SINAMICS, je nezávislý na hardwarové platformě. Uživateli nabízí přívětivé grafické rozhraní. Program Starter však neumožňuje řízení nadřazeného systému SIMOTION. Pro ovládání výrobků SIMOTION a SINAMICS (v jednotném programovém prostředí) je určen program Simotion SCOUT. Starter nabízí objektově orientované zobrazení, díky kterému získává uživatel velmi dobrý přehled o všech dílčích částech projektu. Pro konfiguraci motorů nabízí program konfigurační průvodce, což uživateli usnadňuje práci TIA Portal V12 Totally Integrated Portal (TIA Portal) od společnosti Siemens představuje nový nástroj pro konfiguraci a parametrizaci kompletních automatizačních systémů. Hlavní výhodou tohoto softwaru je integrace všech automatizačních prostředků do jednoho systému s jednotným ovládáním. TIA Portal využívá dvou možností zobrazení [5]: Portalview Jedná se o úkolově orientované zobrazení odpovídající posloupnosti, podle které je celé zařízení konfigurováno, programováno a řízeno. Project view Jedná se o objektově orientované zobrazení, které využívá také program Starter nebo SIMOTION Scout. Je zde zobrazen celý projekt najednou, což umožňuje rychlý přístup ke všem dílčím částem projektu. Momentálně je tento software stále vyvíjen, umožňuje ovládání a programování řídících členů - typicky PLC a decentralizovaných zařízení - obvykle se jedná o externí HMI panely. Samotnou konfiguraci měniče je nutné provádět v programu Starter nebo Simotion SCOUT [5] Drive Control Charts Drive Control Chart (DCC) jsou grafické konfigurační funkce, které umožňují rozšířit ovládání daného zařízení pomocí volných funkčních bloků. DCC poskytuje jasně strukturované zobrazení regulačních, výpočetních a logických smyček, což přináší velkou přehlednost celého programování, které zvládne i uživatel bez nutnosti znalosti programování. DCC rozšiřují možnosti nastavení technologických funkcí. Jsou využívány řídícími jednotkami pro měniče SINAMICS, kde bez nutnosti použití PLC představují velmi silný prvek pro řešení specifických požadavků na funkci měniče, jejich výpočet probíhá přímo v řídící jednotce. Každé ose měniče přísluší jeden DCC objekt, který je dále rozdělen na maximálně 10 podprogramů (Runtime Groups), což zajišťuje dostatečnou programovou velikost. V programu Starter lze navíc volit, kdy má daný výpočet proběhnout [13]. 31

33 32 3 DIMENZOVÁNÍ POHONU Hlavním předpokladem při návrhu celého stroje jsou nízké pořizovací náklady. Cílem inovace stroje je tedy zvýšení konkurenceschopnosti a díky nízké ceně i možnost oslovení širší škály zákazníků. Výběr některých motorů nebylo možné správně technicky popsat, výrobce laminovacího stroje uvedl přesný typ motoru bez dalších informací. Jak již bylo zmíněno, tato práce se zaměřuje na oblast pohonů laminovacího stroje, bude tedy provedeno dimenzování a regulace navíjecích a odvíjecích části stroje. Budou použity výhradně zařízení z produktové skupiny SINAMICS od společnosti Siemens. Po zvážení všech předpokladů bude funkce navíjecích a odvíjecích jednotek korespondovat se schématem, které je uvedeno v kap , výpočet průměru role bude proveden pomocí rychlosti a otáček odvíjení (obr. 1.8). Stroj bude využívat měření tahu linky, konkrétně se jedná o tenzometrické měření, které bylo popsáno v kap Systém využívající tanečnici svou cenou několikrát převyšuje tenzometrické měření, proto není využit. 3.1 Výběr řídicí jednotky Řídící jednotky typu SINAMICS byly popsány v kap , na základě údajů z této kapitoly je výběr jednoznačný, typ použité jednotky je CU Jednotka je vyráběna ve dvou verzích, které se liší pouze použitím komunikační sběrnice. Laminovací stroj bude využívat sběrnice PROFINET, typ řídící jednotky bude CU PN. Jednotka s popisem rozhraní je zobrazena na obr. 3.1 [10]. V tab. 3.1 jsou uvedena rozhraní, kterými je jednotka CU PN vybavena: Tab. 3.1: Rozhraní řídící jednotky CU PN [10] Typ Digitální vstupy opticky odděleny (izolovány) Digitální vstupy/výstupy opticky neodděleny (neizolovány) DRIVE-CliQ rozhraní PROFINET rozhraní LAN (Ethernet) Sériové rozhraní (RS232) Rozšiřovací slot Měřící vstupy Počet V případě nedostatku rozhraní je možné jejich rozšíření pomocí modulů, které lze vložit do rozšiřovacího slotu. Řídící jednotka bude pomocí sběrnice PROFINET a standardu PROFIdrive řízena pomocí PLC S7-1215C. Dostatek vstupů a výstupů bude zajištěn tímto nadřazeným řídicím členem, jednotka tedy nebude přímo rozšířena o externí moduly.

34 33 Obr. 3.1: Rozhraní CU PN (bez ochranného krytu) [10] 3.2 Předpoklady pro výběr motorů Charakteristika zátěže Jedním z požadavků výrobce laminovacího zařízení je použití stejného typu motoru pro navíjecí i odvíjecí části, tento požadavek vznikl z důvodu případné dodávky náhradních dílů a celkového zjednodušení celého stoje. V kap. 1.1 jsou popsány mechanické parametry laminovacího zařízení, podle kterých bude provedeno dimenzování motorů pro navíjecí a odvíjecí zařízení. Motory je nutno navrhnout na maximální možné zatížení, kterého bude linka dosahovat. Parametry navíjecí části dosahují větších nároků, než je tomu u odvíječek, výběr motorů bude odvozen z požadavků na navíjecí zařízení.

35 Je možné použít asynchronní nebo synchronní motor, při výběru je kladen požadavek na velmi nízkou pořizovací cenu motoru. Právě z tohoto důvodu je vybrán asynchronní motor s kotvou nakrátko. Pro dimenzování parametrů motoru je nutná znalost následujících parametrů: Maximální rychlost stroje Maximální hmotnost role Maximální průměr role Minimální průměr navíjení Rozsah tahů v materiálu pro navíjení 34 V první fázi je vhodné určit zatěžovací momentovou charakteristiku při maximální tahové síle: = (3.1) Dále je nutné určit otáčky při tomto momentu, odvození otáček bylo provedeno v kap , je využito rovnice (1.8): (1.8) Na obr. 3.2 jsou uvedeny závislosti zatěžovacího momentu a otáček vzhledem k průměru role. Tyto závislosti budou v dalších kapitolách této práce výchozí pro regulaci a řízení motorů navíječek. M (Nm) n (ot/min) Mz=f(d) n=f(d) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 d (m) Obr. 3.2: Závislost momentu a otáček na průměru role

36 3.2.2 Moment setrvačnosti Dalším aspektem, který je pro výběr motoru důležitý, je setrvačný moment materiálové role. Moment setrvačnosti je fyzikální veličina, charakterizuje rozložení hmotnosti tělesa při otáčení kolem příslušné osy otáčení. V tomto případě je hmota rozložena na dutém válci, jehož vnitřní poloměr je a vnější poloměr je. Odvození momentu setrvačnosti je provedeno v [11], pro moment setrvačnosti platí: 35 (3.2) V tomto případě je materiál umístěn na dutém válci, jehož vnitřní poloměr je a vnější poloměr je. Výpočet bude proveden pomocí elementu hmotnosti, je zvoleno nekonečně tenké mezikruží o poloměru a o tloušťce. Výchozí vztah je založen na přímé úměře [11]: Obr. 3.3: Nákres role pro určení momentu setrvačnosti (3.3) (3.4) (3.5) (3.6)

37 Nyní dosadíme do rovnice (3.3): 36 (3.7) (3.8) (3.9) Rovnice (3.9) je výchozí vztah pro určení momentu setrvačnosti. Jeho průběh je zobrazen na obr. 3.4, kde je také znázorněna závislost hmotnosti role na jejím průměru. Výpočet byl proveden pro papír o tloušťce s hmotností. 70 J (kgm 2 ) m (kg) J=f(d) m=f(d) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 d (m) Obr. 3.4: Závislost momentu setrvačnosti a hmotnosti materiálu na průměru role Pro přehlednost je také vynesena zatěžovací charakteristika navíjecího zařízení obr. 3.5, jedná se o závislost zatěžovacího momentu na otáčkách. V grafu je také vynesen moment setrvačnosti.

38 37 M (Nm) J (kgm 2 ) Mz=f(n) J=f(n) n (ot/min) Obr. 3.5: Zatěžovací charakteristika navíjecího zařízení Frekvenční řízení asynchronního motoru Před výběrem konkrétního typu motoru je vhodné popsat typ jeho řízení. Použité asynchronní motory budou řízeny z frekvenčního měniče, od toho se odvíjí momentové omezení, které je charakteristické pro dané oblasti [12]: Obr. 3.6: Frekvenční řízení asynchronního motoru [12]

39 Oblast konstantního magnetického toku., Oblast konstantního výkonu, v této oblasti dochází k odbuzování motoru. Oblast omezování výkonu., 38 Hodnoty dovolených momentů při frekvenčním řízení jsou závislé na následujících předpokladech: Oblasti řízení. Druhu provozu. (Laminovací stroj je klasifikován třída S1, zařízení je navrženo pro trvalý chod a přípustné je pouze krátkodobé přetěžování). Způsobu chlazení motoru. (Na obr. 3.4 je patrná zatěžovací charakteristika, motor musí dodávat vysoký výkon při nízkých otáčkách, z tohoto důvodu bude u motorů použito cizí chlazení). 3.3 Dimenzování motoru pro navíjecí a odvíjecí zařízení Ze zatěžovací charakteristiky na obr. 3.5 je patrné, že je požadován relativně vysoký moment při nízkých otáčkách stroje. Z technického i ekonomického hlediska není vhodné připojit motor na zátěž přímo, při použití převodovky je možno stroj osadit motorem s podstatně nižším jmenovitým momentem. Zařazením převodovky jsou příznivě ovlivněny pracovní otáčky stroje, rozmezí využitých otáček se více přiblíží k otáčkám jmenovitým, při kterých stroj běží blíže svého jmenovitého výkonu. Z výše popsaných důvodů bude využito těchto převodovek (účinnost : v případě navíjecí části v případě odvíjecích částí Jak již bylo řečeno, od navíjecí části je vyžadováno vytvoření vyššího tahu, proto bude dimenzování provedeno pro tuto část stroje. Stejný typ motoru bude poté použit i pro odvíjecí části stroje. (3.11) (3.12) (3.13) Z rovnic (3.11), (3.12) a (3.13) je zřejmé, jak se změní zátěž motoru při použití převodovky. Zatěžovací moment motoru a moment setrvačný se šestinásobně zmenší, otáčky šestinásobně vzrostou. Tyto změny jsou zobrazeny na obr. 3.7.

40 39 M (Nm) J (kgm 2 ) Mzi=f(n) Ji=f(n) n (ot/min) Obr. 3.7: Zatěžovací charakteristika při použití převodu Na základě znalosti zatěžovací charakteristiky je možno zvolit konkrétní motor. Výběr motoru je nutné ověřit, moment motoru musí být v každém okamžiku větší nebo roven momentu zatěžovacímu, musí být splněna následující podmínka[12]: (3.14) Dalším nárokem na motor je osová výška, která vzhledem k osazení do stávajícího stroj nesmí překročit hodnotu. Při výběru jsou hlavními aspekty jmenovitý moment motoru a redukovaný moment zvratu, které musí být v celé škále otáček vyšší, než moment zátěže. Moment zvratu je omezen z důvodu omezení maximálního možného přetížení, platí: (3.15) Kde je redukční činitel. Jeho velikost je u motorů Siemens obvykle. Po zvážení všech okolností je vybrán motor s označením 1LE1001-1AB52-2FF4. V tab. 3.2 jsou uvedeny parametry tohoto motoru.

41 40 Tab. 3.2: Parametry motoru 1LE1001-1AB52-2FF4 Veličina Udaný výkon stroje Jmenovitý výkon stroje Redukovaný moment zvratu Jmenovitý moment Jmenovitý proud Jmenovité otáčky Počet pólů Maximální otáčky Osová výška Hodnota Volbu motoru je nutné ověřit, podmínka (3.14) musí platit ve všech oblastech, které jsou určeny v kap Vypočítané hodnoty momentů jsou vyneseny v obr. 3.8, tímto obrázkem je potvrzena správnost výpočtu, zatěžovací moment v žádném bodě nepřevyšuje moment motoru. (3.15) (3.16) (3.17)

42 41 M (Nm) ,5 P (kw) Mn=f(n) 2,5 Mload=f(n) Mz_red=f(n) Pmech=f(n) n (ot/min) Obr. 3.8: Momentová a výkonová charakteristika motoru 1,5 Firma Siemens nabízí software SIZER, který je navržen pro dimenzování a výběr vhodných komponent pro elektrické pohony typu SINAMICS. Na obr. 3.9 je zobrazena zatěžovací charakteristika navíječky, tím je zkontrolována správnost předešlých výpočtů. Obr. 3.9: Momentová charakteristika pohonu navíječky program SIZER

43 3.4 Dimenzování pohonu laminovacího válce V6 Dimenzování pohonu je prakticky totožné s popisem, který byl uveden v kap. 3.3, rozdíl tvoří charakteristika zátěže, která nemění svou hmotnost. Při výběru je kladen požadavek na velmi nízkou pořizovací cenu motoru, právě z tohoto důvodu je vybrán asynchronní motor s kotvou nakrátko, který je opět vybaven cizím chlazením. Pro dimenzování parametrů motoru je nutná znalost následujících parametrů: 42 Maximální rychlost stroje Hmotnost laminovacího válce Průměr laminovacího válce Rozsah tahů v materiálu Při dimenzování motoru je nutné splnit podmínku (3.14), zatěžovací moment musí být vždy menší než moment motoru. Výpočet dále vychází z rovnic (3.11) až (3.17), postup při výběru vhodného motoru byl proveden již v kap. 3.2, nebude proto opakován. Po zvážení všech okolností je vybrána převodovka s převodovým poměrem a účinností a motor s označením 1LA9107-4AK14. V tab. 3.3 jsou uvedeny parametry tohoto motoru. Na obr a 3.11 je patrné ověření správnosti výběru motoru, moment motoru je vždy větší než moment zátěže. Tab. 3.3: Parametry motoru 1LA9107-4AK14 Veličina Udaný výkon stroje Jmenovitý výkon stroje Redukovaný moment zvratu Jmenovitý moment Jmenovitý proud Jmenovité otáčky Počet pólů Maximální otáčky Osová výška Hodnota

44 43 M (Nm) ,5 3 P (kw) Mn=f(n) 2,5 Mload=f(n) Mz_red=f(n) Pmech=f(n) n (ot/min) Obr. 3.10: Momentová a výkonová charakteristika motoru laminovacího válce 1,5 Obr. 3.11: Momentová charakteristika pohonu laminovacího válce program SIZER V oblasti mezi nulovými a jmenovitými otáčkami motoru je patrný rozdíl mezi obr a obr V programu SIZER není u motoru 1LA9107-4AK14 možné zvolit cizí chlazení (standardně tak není motor vyráběn). Krom tohoto drobného rozdílu si výpočty přesně odpovídají.

45 3.5 Výběr motorových modulů Motorové moduly jsou vybírány na základě proudu, který je odebírán připojeným motorem. Při návrhu platí prakticky jediná podmínka, proud dodávaný modulem musí být větší než proud, který motor odebírá. 44 (3.18) Kde je proud motorového modulu a je jmenovitý proud motoru. Základní varianta těchto modulů (single motor module) je pro napětí 400V vyráběna až do 1405A, moduly ve dvojitém provedení (double motor module) jsou pro dané napětí k dispozici do 18A. Z důvodu nižší pořizovací ceny jsou použity dvojité motorové moduly, které jsou vyráběny ve variantách: 1,7A, 3A, 5A, 9A a 18A [7]. V tab. 3.4 jsou uvedeny vybrané motorové moduly pro dané motory. Tab. 3.4: Zvolené motorové moduly Motor Význam Motorový modul M01 Motor primárního odvíjení M02 Motor sekundárního odvíjení 6SL3120-2TE21-0AA4 M03 Motor navíjení M04 Motor dávkovacích válců V2 a V3 6SL3120-2TE21-0AA4 M05 Motor nanášejícího válce V4 M06 Motor laminovacího válce V6 6SL3120-2TE21-0AA4 3.6 Výběr napájecího modulu Výše vybrané motorové moduly budou napájeny jediným napájecím modulem, ten je nutno dimenzovat z hlediska odebíraného proudu. Celkový proud je dán odběrem motorových modulů, dále je nutno vypočítat výkon napájecího modulu: (3.19) (3.20) Na základě vypočítaného výkonu je vybrán šestipulzní napájecí modul o výkonu, číslo 6SL3130-1TE24-0AA0 [7].

46 3.7 Konečná podoba pohonu Na obr je zobrazeno blokové schéma všech částí pohonu laminovacího stroje. U některých částí byl poptáván konkrétní typ, proto zde není provedeno jejich dimenzování. 45 Obr. 3.12: Blokové schéma zapojení pohonu laminovacího stroje

47 46 4 ŘÍZENÍ, REGULACE A NASTAVENÍ STROJE Jak již bylo zmíněno v předchozích kapitolách, laminovací stroj je řízen prostřednictvím PLC z řady SIMATIC, konkrétní typ je SIMATIC CPU 1215C DC/DC/DC. Jedná se modulární systém, který je velmi snadno rozšiřitelný pomocí velkého množství přídavných modulů. Jako výchozí ovládací periferie slouží dotykový display SIMATIC TP1200 Comfort, na tomto panelu bylo vytvořeno potřebné množství obrazovek, které slouží pro ovládání, sledování stavu a parametrů stroje. Za tímto účelem bylo definováno dostatečné množství proměnných, které jsou po síti PROFINET sdíleny mezi HMI a PLC. Popis těchto parametrů by přesahoval rámec diplomové práce, pro představu je na obr. 4.1 uvedena hlavní obrazovka. Obsluha je schopna nastavit všechny potřebné parametry jako: Vlastnosti materiálu (tloušťka, šířka, hustota). Tah linky. Rychlost linky. Vlastnosti laminace (nanášení lepidla, teploty laminačních válců atd.). Inicializační průměr (průměr, z kterého bude vycházet výpočet). Dále je značné množství parametrů zobrazováno: Informace o navíjecích a navíjecích částí (průměr role, délka návinu, atd.) Měření skutečné rychlosti a tahu linky. Informace o laminovacím procesu a stranování. Obecné informace o stroji (doba zapnutí, množství zpracovaného materiálu atd.) Obr. 4.1: Hlavní obrazovka HMI panelu

48 4.1 Nastavení a parametrizace pohonů v programu Starter Před samotnou regulací stroje je nutné vytvořit projekt, ve kterém budou definovány všechny části pohonu, které se vyskytují na laminovacím stroji. Nastavení, parametrizace, regulace a monitoring pohonů stroje je proveden v programu Starter, který byl popsán v kap V programu Starter jsou definovány všechny části pohonů SINAMICS. V první fázi nastavení je nutné definovat řídící jednotky, dále určit výkonové moduly a nakonec použité motory, které jsou v programu Starter definovány dvěma různými způsoby: Asynchronní motory (pohony 01, 02, 03, 05 a 06) jsou v projektu definovány manuálním zadáním parametrů elektrického motoru. 47 Obr. 4.2: Konfigurace pohonu v programu Starter Synchronní motory (pohony 04, 07 a 08) jsou vybaveny enkodérem se sběrnicí DRIVECLiQ (kap ), veškeré parametry motorů jsou přes tuto sběrnici automaticky načteny do řídící jednotky (parametry motorů jsou uloženy v paměti, která je umístěna v enkodéru) [5]. Po určení použitých komponent je nutné zvolit způsob regulace, kterým budou pohony řízeny, této problematice se věnuje kap V tab. 4.1 je uveden přehled objektů, které byly

49 48 v projektu konfigurovány. Celý projekt odpovídá topologii, která je znázorněna na obr. 3.12, v projektu se vyskytují tři řídící jednotky a celkem osm os,viz. kap Pohony jsou definovány standardem PROFIdrive (kap ), důležitá procesní data jsou prostřednictvím telegramů sdílena po síti PROFINET a je nutno je v projektu definovat. Pohony laminovacího stroje využívají ke komunikaci následující telegramy (viz. tab. 2.1 a 2.2 v kap ): Tab. 4.1: Použité telegramy dle standardu PROFIdrive Ozn. Pohonu Starter Ozn. výkres Typ telegramu Data VSTUP Data VÝSTUP UZ0 CU PN Siemens telegram UZ1_CU320_ODV1 01 Standard telegram 2, rozšířen UZ2_CU320_ODV2 02 Standard telegram 2, rozšířen UZ3_CU320_NAV1 03 Standard telegram 2, rozšířen UZ4_CU320_V2_3 04 Standard telegram 2, rozšířen 8 8 UZ5_CU320_V4 05 Standard telegram 2, rozšířen 8 8 UZ6_CU320_V6 06 Standard telegram 2, rozšířen 8 8 GS1 Napáječ SIEMENS telegram UZ7 CU PN Free telegram 0 0 UZ7_CU310_ODV1 07 Siemens telegram UZ8 CU PN Free telegram 0 0 UZ8_CU310_ODV2 08 Siemens telegram Již podle použitých telegramů je možné určit, zda bude daný pohon využíván pro řízení v otáčkové nebo regulační smyčce, tato problematika je popsána v následující kapitole. Počet vstupních a výstupních dat znamená, kolik slov (WORDů) daný telegram využívá. Každé přenášené slovo se dále skládá z 16 bitů, každý bit je napojen na jeden parametr, který je součástí daného slova. Pro řízení a komunikaci s pohony navíjecích a odvíjecích částí byl použit standardní telegram 2, prakticky u něj bylo ponecháno pouze stavové a řídící slovo, jinak byl tento telegram zcela upraven. 4.2 Optimalizace pohonů v programu Starter V předchozí kapitole byla popsána základní konfigurace pohonů v programu Starter. V případě asynchronních motorů (bez DRIVECLiQ sběrnice) byly do projektu definovány pouze základní parametry. Pohony jsou při tomto základním nastavení plně funkční, nedosahují však optimálních dynamických vlastností. Frekvenční měniče typu SINAMICS jsou vybaveny konfiguračními funkcemi (autokalibrace), které slouží k definování většího množství parametrů. Účelem těchto funkcí je zlepšení dynamických vlastností stroje. U pohonů laminovacího stroje byly tedy provedeny následující konfigurační funkce:

50 4.2.1 Automatické měřící funkce U měničů typu SINAMICS lze provést dvě základní měřící funkce, jedná se o: 49 Stacionární měření, na motoru je provedeno měření naprázdno a nakrátko, díky měření je zjištěno značné množství parametrů, jedná se především parametry náhradního schématu motoru, viz obr. 4.3: Obr. 4.3: Parametry definované při stacionárním měřením Měření při otáčení stroje, při tomto měření byl především určen moment setrvačnosti elektrického stroje, viz obr Určený moment setrvačnosti nezahrnuje další mechanické části, jako jsou převodovka a upínací trny materiálové role. Obr. 4.4: Parametry definované měřením při otáčení stroje Určení třecího momentu pohonů Měniče SINAMICS jsou schopny změřit závislost třecího momentu v závislosti na otáčkách. U pohonů laminovacího stroje bylo tohoto měření využito, třecí moment bude zahrnut do výpočtu žádaného momentu stroje, viz rovnice (4.2). Na obr. 4.5 je zobrazena třecí charakteristika pohonu odvíjecího zařízení.

51 50 Obr. 4.5 Měření třecí charakteristiky pohonu Automatické nastavení regulátorů U všech pohonů je nutno provést optimalizaci otáčkového PI regulátoru, nastavení je možno provést manuálně nebo pomocí autokalibrační funkce, kterou zajišťuje řídící jednotka měniče SINAMICS. V technické praxi se obvykle využívá této funkce, vypočtené proporcionální a integrační zesílení je poté manuálně odladěno tak, aby pohon dosahoval co nejlepších dynamických vlastností. Schéma otáčkového regulátoru je zobrazeno na obr. 4.6, jsou nastaveny následující parametry [5]: P gain představuje proporcionální složku otáčkového regulátoru. Reset time představuje integrační složku otáčkového regulátoru. Obr. 4.6: Schéma otáčkového PI regulátoru

52 4.3 Princip regulace ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Možnosti regulace odvíjecích a navíjecí částí byly rozebrány již v kap. 1.3, z popsaných metod byla zvolena metoda popsaná v kap , výpočet průměru role pomocí rychlosti a otáček odvíjení (v/n). Tomuto zásadnímu předpokladu bude přizpůsobeno celé regulační schéma laminovacího stroje. Pro regulaci pohonů je použito vektorové řízení, pohony laminovacího stroje jsou vybaveny pulzními snímači, díky nim lze motory řídit v uzavřené regulační smyčce, je využíváno regulace otáček i polohy Regulace otáček Obr. 4.7: Část schématu vektorového řízení Jedná se vektorové řízení, je použito otáčkové regulační smyčky. Regulační schéma jednoho pohonu je patrné na obr Tuto regulaci zajišťuje CU PN, motory M01 až M05 tedy využívají otáčkové řízení. Obr. 4.8: Schéma otáčkové regulace

53 Pro účinnou regulaci je vhodné zvolit pohon, který bude tzv. MASTER, tzn. tomuto pohonu je přímo zadána rychlost, které má být dosaženo. Ostatní pohony budou řízeny dle pohonu 06 jako žádaná rychlost je do regulační smyčky pohonů navíjecí a odvíjecích částí přivedená dosažená rychlost pohonu 06, viz obr Pohon 06 bude využívat i polohové smyčky, které je využito pro měření délky materiálu, který stroj zpracoval. Pohon však bude regulován na žádanou rychlost na vstup jeho regulačního schématu pohonu bude přivedena žádaná rychlost. Pro správné napnutí materiálu ve stroji se v technické praxi používá úprava žádané rychlosti (tedy žádaných otáček) odvíjecích a navíjecí částí. Úprava žádaných otáček se liší pro odvíjecí a navíjecí části:, žádaná rychlost odvíjecí části je zmenšena o 3% ze jmenovité hodnoty., žádaná rychlost navíjecí části je zvětšena o 2% ze jmenovité hodnoty. PI regulátory navíjecí a odvíjecích částí se při chodu stroje nachází v oblasti saturace, dochází k proudovému a tedy i momentovému omezení, tohoto stavu se využívá je žádoucí. 52 Obr. 4.9: Princip regulace laminovacího stroje

54 4.3.2 Regulace polohy ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Polohové regulace využívají pohony 07 a 08, jejich účelem je zajistit stranování (vystředění) materiálu v laminovacím stroji. Regulace polohy opět využívá vektorového řízení, schéma regulace je zobrazeno na obr. 4.10, je patrná polohová i otáčková regulační smyčka. 53 Obr. 4.10: Schéma regulace polohy Proces stranování je řízen pomocí ultrazvukového čidla, které snímá polohu kraje pásu materiálu v místě, kde je laminovaný materiál přiváděn do stroje. Pokud je materiál vychýlen, pohony 07 a 08 vystředí celou materiálovou roli na danou polohu. Nákres laminovacího procesu je zobrazen na obr Obr. 4.11: Princip stranování odvíjeného materiálu

55 4.4 DCC funkční bloky Regulace laminovacího stroje je provedena pomocí DCC funkčních bloků, jejich význam byl popsán v kap V kap. 4.4 jsou uvedeny použité funkční bloky a popis jejich zapojení. Příloha 1 obsahuje přesné zapojení DCC bloků Blok DCA Diameter calculator Účelem tohoto funkčního bloku je vypočítat okamžitý průměr role, výpočet je založen na znalosti rychlosti linky a otáček motoru. Pravděpodobnost výpočtu je zpětně ověřována. V tab. 4.2 jsou uvedeny vstupy a výstupy bloku [13]. 54 Tab. 4.2: Vstupy a výstupy DCA bloku [13] I/O Ozn. Popis Vysvětlení Typ IN LS Line speed (m/min) Rychlost linky REAL IN MS Motor speed (rpm) Otáčky motoru REAL IN GF Gear ratio Převodový stupeň REAL IN HLD Hold diameter Podržet hodnotu průměru BOOL IN S Set diameter Zapsat hodnotu průměru BOOL IN SV Set value Hodnota průměru k zapsání REAL IN INV Invert winding direction Změna směru navíjení BOOL IN T1 Time constant for symmetry of line speed (ms) Velikost vyhlazovací konstanty rychlosti linky REAL IN T2 Time constant for smoothing of diameter (ms) Velikost vyhlazovací konstanty vypočítaného průměru REAL IN TOL Tolerance factor for plausibility check Faktor tolerance pro ověření vypočteného průměru REAL IN WTH Material thickness (mm) Tloušťka materiálu REAL IN MMIN Minimum speed (rpm) Minimální otáčky motoru REAL IN LMIN Minimum line speed (m/min) Minimální rychlost linky REAL IN DMAX Maximum diameter (m) Maximální hodnota průměru REAL IN DMIN Minimal diameter (m) Minimální hodnota průměru REAL OUT D Calculated diameter (m) Vypočtený průměr REAL Multiplier for setpoint channel Násobek jmenovitých otáček OUT LSF (rpm) motoru REAL OUT RU Diameter increase is limited Příliš rychlý nárůst průměru BOOL OUT RD Diameter decrease is limited Příliš rychlé snížení průměru BOOL OUT MAXD D is limited do DMAX Průměr je omezen svou maximální hodnotou BOOL OUT MIND D is limited do DMIN Průměr je omezen svou minimální hodnotou BOOL

56 55 Obr. 4.12: Zapojení DCA bloku [13] Výpočet průměru cívky s materiálem probíhá dle rovnice 4.1, jsou zpracovávány vstupy LS a MS. Otáčky motoru jsou dále přepočítány dle převodového poměru motoru. (4.1) Ze zapojení DCA bloku je patrné, že okamžitá rychlost linky LS může být vzhled k otáčkám motoru MS zpožděna časovou konstantou T1. Vypočtený průměr D je vyhlazován časovou konstantou T2. Pokud jsou konstanty T1 a T2 rovny nule, je vypočtený průměr přiveden přímo na výstup bloku. Výpočet je proveden za předpokladu, kdy jsou rychlost linky a otáčky motoru větší než nastavené hodnoty LMIN a MMIN. Poslední vypočtenou hodnotu průměru je možno na výstupu podržet pomoci vstupu HLD. Pomocí vstupu SV je možno nastavit hodnotu, která má být přivedena na výstup bloku. Hodnota je zapsána, pokud je vstup S = TRUE. Tento funkční blok dále kontroluje správnost výsledku, který byl vypočítán. Je určen interval, ve kterém se musí vypočítaná hodnota průměru vyskytovat. Interval je určen rovnicí 4.2. (4.2)

57 kde je doba vzorkování DCA bloku. Význam ostatních parametrů je uveden v tab Výsledný průměr D je omezován dle následujících pravidel: ; platí pro všechna (ramp-up limitace) ; platí pro všechna (ramp-down limitace) Výstup RU (ramp up limitace) nebo RD (ramp down limitace) je aktivován, pokud bylo dosaženo jedné z výše uvedených podmínek limitujících podmínek. Při manuálním nastavení průměru pomocí vstupů S a SV je kontrola správnosti deaktivována. Funkční blok pomocí výstupů MAXD a MIND signalizuje, zda je dosaženo maximální nebo minimální hodnoty průměru. Pokud je výstup MAXD nebo MIND aktivován, je pomocí rampového funkčního generátoru upravena hodnota průměru na výstupu D. Tím je zaručeno, že opakovaná integrace nezpůsobí chybu při výpočtu průměru. V případě aktivování výstupu MAXD nebo MIND tedy pro následující cyklus platí tyto podmínky: 56 ; pokud je aktivní výstup MAXD ; pokud je aktivní výstup MIND Výstup LSF vyjadřuje násobek žádaných otáček motoru, směr točení je možné měnit pomocí vstupu INV. V případě roztržení materiálu je nutno aktivovat vstup HLD, jinak DCA blok určí průměr na základě rostoucích nebo klesajících otáček motoru (odvíječka / navíječka), což by vedlo k nesprávnému výpočtu a roztočení linky na nepřípustné otáčky Blok INCO Axial winder moment of inertia Tento blok se používá pro určení momentu setrvačnosti navíjecího nebo odvíjecího stroje. Odvození momentu setrvačnosti bylo provedeno v kap , blok INCO počítá moment setrvačnosti dle tohoto odvození, konkrétně dle rovnice 3.7. V tab. 4.3 jsou uvedeny vstupy a výstupy bloku [13]. Tab. 4.3: Vstupy a výstupy INCO bloku [13] Typ Ozn. Popis Vysvětlení Typ IN D Current diameter (m) Průměr materiálové role REAL IN W Material width (m) Šířka materiálu REAL IN DEN Material density (kg/m 3 ) Hustota materiálu REAL Korekční faktor hustoty IN SCL Scaling factor for density materiálu REAL IN DMIN Core diameter (m) Průměr bubnu (bez materiálu) REAL IN DMAX Maximum diameter (m) Maximální hodnota průměru REAL Offset moment of Inertia (Nms 2, Statický moment setrvačnosti na IN OFS kgm 2 ) straně motoru REAL IN GF Gear ratio Převodový poměr REAL Resulting moment of Ineria OUT MOI (Nms 2, kgm 2 ) Vypočtený moment setrvačnosti REAL OUT RMOI Relative moment of inertia Relativní moment setrvačnosti REAL

58 57 Obr. 4.13: Zapojení INCO bloku [13] Vstup D vyjadřuje průměr materiálové role, hustota materiálu je přivedena na vstup DEN a je jí možno korigovat vstupem SCL, což je korekční faktor pro hustotu materiálu. Minimální průměr (tj. průměr bubnu) je přiveden na vstup DMIN. Je nutné definovat maximální možný moment setrvačnosti, který je možno určit na základě znalosti maximálního průměru role na vstupu DMAX. Celkový statický moment setrvačnosti (motoru, materiálového bubnu a převodovky) na straně motoru může být zadán pomocí vstupu OFS, tento moment je poté připočten k vypočítanému momentu setrvačnosti. Převodový poměr je stejně jako u DCA bloku přiveden na vstup GF. Okamžitý moment setrvačnosti mechanismu navíjecího nebo odvíjecího zařízení (včetně momentu setrvačnosti motoru) je vyveden na výstupu MOI Ostatní DDC bloky V programu je použito několik dalších DCC bloků, jejich význam je následující [13]: ADD, blok součtu. SUB, blok odčítání. NOP, tento blok neprovádí žádnou operaci, hodnota na vstupu je převedena na výstup bloku. MUL, blok násobení. DIV, blok dělení. AVA, generátor absolutní hodnoty. SII, Invertor. NCM, numerický komparátor.

59 ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY NSW, numerický přepínač. B_W, tento blok převádí 16 binárních vstupů na stavové slovo. W_B, tento blok převádí řídicí slovo na 16 binárních výstupů Zapojení funkčních bloků Kompletní zapojení DCC bloků je uvedeno jako příloha 1 této diplomové práce. Regulační schéma je univerzální pro odvíjecí i navíjecí části. Pomocí jediného parametru je určeno, zda se jedná o regulaci navíječky nebo odvíječky, jde o parametr Volba_ODV_NAV (ODV1.r2050[1]), který je součástí řídícího slova. Popis regulace je proveden pro pohon 01 (odvíjecí část 01), což se projeví na cestě k daným parametrům (např. ODV1.r63 je aktuální rychlost pohonu 01, ODV2.r63 je aktuální rychlost pohonu 02 a NAV1.r63 je aktuální rychlost navíjecí části). Regulační schéma tvoří několik sekcí, jejich význam je následující: Sekce A1: V této části jsou vypočítány následující parametry: Zadana_rychlost_linky (m/min) Tento parametr vychází ze žádaných otáček pohonu laminovacího válce V6 dle obr. 4.9 (v_set odpovídá parametru UZ7_V6.r1150), ten je původně zadán v procentech jmenovitých otáček pohonu 06, pomocí funkčních bloků je přepočítán na hodnotu v metrech za minutu. Aktualni_rychlost_linky (m/min) Tento parametr vychází z aktuálních otáček pohonu laminovacího válce V6 a je adekvátní parametru v_act dle obr. 4.9 (v_act je parametr UZ7_V6.r63). Opět je proveden přepočet na metry za minutu. Aktualni_otacky_ODV_NAV (rpm) Okamžité otáčky odvíjecí části vychází z parametru ODV1.r63, ten je v DDC uvažován v procentech jmenovitých otáček, pro získání jeho hodnoty v otáčkách za minutu je nutno jej vynásobit parametrem ODV1.p2000, tedy referenční rychlostí motoru. Sekce A2: Základními prvky této sekce tvoří blok DCA a blok INCO, funkce bloků a význam jednotlivých vstupů a výstupů byl popsán výše. Jak již bylo popsáno v kap , regulační metoda v/n neumožňuje měření průměru role při nulové rychlosti. Proto je před rozběhem nutné provést manuální měření průměru materiálové role a jeho zadání do systému, rozběh stroje je proveden při této hodnotě průměru (parametr Inic_prumer (mm) = ODV1.r2050[5]). Hodnota parametru Inic_prumer_dosazen = ODV1.r2050[2] je nastavena na TRUE v okamžiku, kdy je aktuální průměr stejný jako nastavený. Od této chvíle je regulace prováděna dle vypočtené hodnoty průměru (dle parametru Aktualni_prumer (mm) = ODV1.p1522[0]). Ve spodní části této sekce je počítán moment setrvačnosti, zapojení odpovídá rovnici (4.3).

60 59 (4.3) Výstupem této části jsou velmi důležité parametry: Zadane_otacky_bez_pridavku (% p2000) žádané otáčky navíjecího/odvíjecího zařízení bez přídavku, vysvětleno v kap Aktualni_prumer (m) vypočítaný průměr role, tento parametr je použit pro určení žádaného momentu a momentu setrvačnosti. Maximalni_prumer_dosazen tento parametr je součástí stavového slova. Minimalni_prumer_dosazen tento parametr je součástí stavového slova. Inic_prumer_dosazen tento parametr je součástí stavového slova, slouží k porovnání inicializačního a vypočítaného průměru. Sekce A3: V této části je dokončen výpočet požadovaného momentu, horní část DCC bloků je zapojena dle rovnice 4.4. (4.4) Kde je frikční moment, tj. moment třecí, který představuje parametr ODV1.r3841. Velikost a průběh třecího momentu v závislosti na otáčkách byl stanoven v kap V sekci je dále vytvořena logika, kdy je na základě parametru Volba_ODV_NAV (ODV1.r2050[1]) rozhodnuto, zda se jedná o navíjecí nebo odvíjecí část stroje. V závislosti na této volbě je využit jeden z převodových poměrů, volba převodovek byla popsána v kap Sekce A4: Jisté parametry je nutno sdílet s řídícím PLC a HMI systémem, pro tento účel slouží tyto funkční bloky: B_W, tento blok převádí 16 binárních vstupů na stavové slovo (ODV1.p2051[1]). Tab. 4.4: Přehled parametrů, které tvoří stavové slovo DCC Označení Bit Význam Max_prumer_dosazen 1 Dosažení maximálního průměru Inic_prumer_dosazen 2 Výpočet aktuálního průměru dosáhl hodnoty inicializačního průměru Min_prumer_dosazen 3 Dosažení minimálního průměru

61 60 W_B, blok zajišťuje převod řídicího slova (ODV1.r2050[1]) na 16 binárních výstupů, ty slouží k ovládání stroje. Tab. 4.5: Přehled parametrů, které tvoří řídicí slovo DCC Označení Bit Význam Aktivace_momentove_ODV_NAV 1 Drzet_prumer 2 Tímto bitem je aktivováno navíjení a odvíjení při nastaveném momentu Při aktivaci tohoto bitu je inicializační průměr udržován na výstupu DCA bloku Nastavit_inic_prumer 3 Bit zajištující zápis inicializačního průměru Zmena_smeru_ODV_NAV 4 Změna směru otáčení Volba_ODV_NAV 5 Tímto bitem je rozlišena navíjecí a odvíjecí regulace Sekce A5: Veškeré vstupní a výstupní parametry jsou přivedeny do této sekce. Pro lepší přehlednost při programování je vhodné využívat bloků NOP bloků, ty nemají žádný funkční význam, podstatně však zvýší přehlednost celého zapojení. Vstupní a výstupní parametry, které jsou v DCC využity, jsou popsány v tab Sekce A6: Pomocné přepočty základních veličin.

62 61 Tab. 4.6: Přehled parametrů, které jsou použity v DCC I/O DCC Označení Parametr Význam IN Zadane_otacky_V6 (% p2000) UZ7_V6.r1150 Žádané otáčky pohonu 06 IN IN Aktualni_otacky_V6 (% p2000) Aktualni_otacky_ODV_NAV (% p2000) UZ7_V6.r63 Aktuální otáčky pohonu 06 ODV1.r63 Aktuální otáčky odv. nebo nav. IN Tah (N) ODV1.r2050[4] Zadaný tah linky IN Frikcni_moment (N) ODV1.r3841 Třecí moment IN Referencni_moment (N) ODV1.r2703 Referenční moment IN p2000_v6 (rpm) UZ7_V6.r2700 Referenční otáčky pohonu 06 IN P2000_ODV_NAV (rpm) ODV1.r2700 Referenční otáčky odv. nebo nav. IN Inic_prumer (mm) ODV1.r2050[5] Inicializační průměr IN Tloustka_materialu (um) ODV1.r2050[6] Tloušťka materiálu IN Sire_materialu (m) ODV1.r2050[8] Šířka materiálu IN Hustota_materialu (kg/m3) ODV1.r2050[9] Hustota materiálu IN Prumer_mat_dutiny (m) ODV1.r2050[10] Průměr materiálové dutiny OUT OUT OUT Zadane_otacky_ODV_NAV (% p2000) Momentove_omezeni_kladne (N) Momentove_omezeni_zaporne (N) ODV1.p1070[0] ODV1.p1522[0] ODV1.p1523[0] Žádané otáčky odv. nebo nav. Kladné momentové omezení, tzn. žádaný moment nav. části Kladné momentové omezení, tzn. žádaný moment odv. části OUT Aktualni_prumer (mm) ODV1.p2051[2] Aktuální průměr mat. role

63 62 5 MĚŘENÍ A VYHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ Měření na laminovacím stroji bylo provedeno za pomoci programu Starter (kap ), vybrané parametry jsou zobrazeny jako funkce času. Záznamy z měření byly použity pro konečné nastavení stroje, které bude nastíněno v této kapitole. Na stroji byly měřeny tyto parametry: Aktualni_prumer (m) Zadana_rychlost_linky (m/min) Dynamicky_moment (Ns 2 /kgm 2 ) Momentove_omezeni_kladne (N), tj. žádaný moment. Moment_setrvacnosti_ODV (Nms 2 /kgm 2 ) Aktualni_otacky_pohonu_06 (rpm) Zadane_otacky_pohonu_06 (rpm) 5.1 První rozběh a konečné nastavení regulace Při prvním rozběhu bylo zařízení osazeno relativně malou materiálovou rolí o hmotnosti cca, zobrazené výsledky neznázorňují chod při plném zatížení pohonů. V době měření nebyla k dispozici materiálová role o maximální hmotnosti Záznam z prvního rozběhu je zobrazen na obr. 5.1, kde je na svislé ose zobrazena žádaná rychlost stroje v. Zařízení bylo po definované rampě rozběhnuto na rychlost, poté byla rychlost zvýšena na, tedy na maximum. Během měření byl nastaven tah Aktuální rychlost zařízení velmi přesně sleduje rychlost žádanou, což vypovídá o správnosti provedené regulace a optimalizace pohonů. Obr. 5.1: První rozběh laminovacího stroje, rychlost linky v metrech za minutu

64 Ze záznamu je dále patrný výsledek vypočteného průměru. Jak již bylo popsáno v kap , výpočet nedosahuje správného výsledku při rozběhu a doběhu stroje. Vypočtený průměr je také značně rozkmitán, maximální rozkmit je. Průběh vypočteného průměru je patrný na obr. 5.2, kde je na svislé ose vynesen aktuální průměr v metrech. Na obr. 5.3 je na svislé ose vyneseno momentové omezení pohonu, tj. žádaný moment. 63 Obr. 5.2: První rozběh laminovacího stroje, aktuální průměr v metrech Obr. 5.3: První rozběh laminovacího stroje, žádaný moment v Newtonech

65 Při srovnání obr. 5.2 a obr. 5.3 je patrné že průběh vypočteného průměru a žádaného momentového omezení má naprosto totožný průběh. Tento fakt je dán požadavkem na konstantní tah stroje, dle rovnice (1.2) v kap (1.2) Rozkmit vypočteného průměru se projeví i na momentu setrvačnosti, který je v obr. 5.1 až 5.3 zobrazen zelenou čarou. Rozkmity jsou nechtěné, pro jejich odstranění bylo nutno provést nastavení DCA bloku v DCC. Pro vyhlazení vypočteného průměru byly manuelně nastaveny tyto vstupy, viz tab. 4.2: Konstanta T1 bloku DCA na hodnotu. Konstanta T2 boku DCA na hodnotu. Konstanta TOL bloku DCA na hodnotu. Pro dosažení co nejlepších dynamických vlastností stroje bylo dále nutné co nejpřesněji stanovit statický moment setrvačnosti na straně motoru (motor, převodová kola, upínací kužely, atd.), viz tab. 4.3: Konstanta OFS bloku INCO u odvíječek na hodnotu. Konstanta OFS bloku INCO u navíječky na hodnotu. Rozdíl velikostí statického momentu setrvačnosti vznikl z důvodu jiného převodového poměru u odvíjecích a navíjecí částí. 5.2 Výsledky dosažené po odladění stroje Obr. 5.4: Průběhy po konečném nastavení regulace, rychlost linky v metrech za minutu

66 Na obr. 5.4 je zachycen chod stroje při stejných podmínkách jako v kap. 5.1, kmity vypočteného průměry byly odladěním stroje potlačeny. Po finálním odladění bylo na stroji provedeno již rozsáhlejší měření, které je zachyceno na obr. 5.5 až obr Stroj byl proměřen při rychlostech a a při žádaném tahu a. 65 Obr. 5.5: Měření rychlostí a tahů, rychlost linky v metrech za minutu Obr. 5.6: Měření rychlostí a tahů, žádaný moment v Newtonech

67 Na obr. 5.5 a 5.6 je při maximální rychlosti patrný náhlý prudký pokles aktuálních otáček. Tento nežádoucí stav nastal z důvodu přetížení pohonu 06 vysokým tahem, to se projevilo prudkým poklesem rychlosti po definované nouzové rampě. S tímto přetížením bylo počítáno, nebylo však nastaveno v programu Starter. Po opětovné konfiguraci již k těmto výpadkům nedocházelo. 66 Obr. 5.7: Brzdění pohonu 06 po definované nouzové rampě Měřením, které je zaznamenáno na obr. 5.5 a 5.6, je dokázáno, že laminovací stroj dosahuje parametrů, které byly zadány v kap Zvolený tah není zpětnovazebně regulován, měřený tah je pouze zobrazován na HMI panelu, kde je vizuálně kontrolován obsluhou stroje. Rozdíl mezi zadaným a měřeným tahem byl během měření maximálně 8%, což výrobce stroje považuje za uspokojivý výsledek. V budoucnu bude zvážena možnost zpětnovazební regulace tahu i u této levnější varianty laminovacího stroje, popřípadě ji bude možné doplnit na základě přání zákazníka.